Nanomateriály

Úvod

Co jsou nanomateriály?

Vědci se jednomyslně neshodli na přesné definici nanomateriálů, ale shodují se na tom, že je částečně charakterizuje jejich nepatrná velikost měřená v nanometrech. Nanometr je jedna miliontina milimetru – přibližně 100 000krát menší než průměr lidského vlasu.

Částice o velikosti nanometrů existují v přírodě a mohou být vytvořeny z různých produktů, například z uhlíku nebo minerálů, jako je stříbro, ale nanomateriály podle definice musí mít alespoň jeden rozměr menší než přibližně 100 nanometrů. Většina materiálů v nanoměřítku je příliš malá na to, aby byla viditelná pouhým okem a dokonce i běžnými laboratorními mikroskopy.

Materiály upravené do tak malého měřítka se často označují jako upravené nanomateriály (ENM), které mohou nabývat jedinečných optických, magnetických, elektrických a dalších vlastností. Tyto nově vznikající vlastnosti mají potenciál velkého dopadu v elektronice, medicíně a dalších oborech. Například,

1. Nanotechnologie lze využít k návrhu léčiv, která se mohou zaměřit na konkrétní orgány nebo buňky v těle, například na rakovinné buňky, a zvýšit účinnost terapie.
2. Nanomateriály lze také přidávat do cementu, látek a dalších materiálů, aby byly pevnější a zároveň lehčí.
3. Díky své velikosti jsou velmi užitečné v elektronice a lze je také využít při sanaci nebo čištění životního prostředí, kde se vážou s toxiny a neutralizují je.

Ačkoli však umělé nanomateriály poskytují velké výhody, víme jen velmi málo o jejich potenciálních účincích na lidské zdraví a životní prostředí. Dokonce i dobře známé materiály, jako je například stříbro, mohou představovat nebezpečí, pokud jsou upraveny do nanorozměrů.

Částice o velikosti nanočástic se mohou dostat do lidského těla vdechnutím a požitím a přes kůži. Bylo prokázáno, že vláknité nanomateriály vyrobené z uhlíku vyvolávají v plicích zánět podobně jako azbest .

Kde se nanomateriály vyskytují?

Některé nanomateriály se mohou vyskytovat přirozeně, například v krvi se vyskytují bílkoviny nezbytné pro život a lipidy obsažené v krvi a tělesném tuku. Vědci se však zajímají zejména o konstruované nanomateriály (ENM), které jsou určeny k použití v mnoha komerčních materiálech, zařízeních a strukturách. Tisíce běžných výrobků – včetně opalovacích krémů, kosmetiky, sportovních potřeb, oděvů odolných proti skvrnám, pneumatik a elektroniky – se již vyrábějí s využitím ENM. Používají se také v lékařské diagnostice, zobrazování a dodávání léků a při sanaci životního prostředí.

Jaké jsou některé z hlavních bodů, které NIEHS a NTP chtějí, aby lidé věděli o nanomateriálech?

Existují tři hlavní body:

• Neexistuje jediný typ nanomateriálu. Nanomateriály lze teoreticky vytvořit z minerálů a téměř jakýchkoli chemických látek a mohou se lišit složením, velikostí primárních částic, tvarem, povrchovými vrstvami a pevností vazeb částic. Mezi několik z mnoha příkladů patří nanokrystaly, které se skládají z kvantové tečky obklopené polovodičovým materiálem, stříbro v nano měřítku, dendrimery, což jsou opakovaně rozvětvené molekuly, a fullereny, což jsou molekuly uhlíku ve tvaru duté koule, elipsoidu nebo trubice.
• Díky malým rozměrům jsou tyto materiály slibné a zároveň náročné. Pro výzkumníky jsou nanomateriály často vnímány jako „dvousečný meč“. Vlastnosti, které činí nanomateriály potenciálně výhodnými při vývoji výrobků a dodávání léčiv, jako je jejich velikost, tvar, vysoká reaktivita a další jedinečné vlastnosti, jsou zároveň vlastnostmi, které vyvolávají obavy ohledně povahy jejich interakce s biologickými systémy a možných účinků v životním prostředí. Například nanotechnologie mohou umožnit čidlům detekovat velmi malá množství chemických výparů, často však neexistují prostředky pro detekci hladiny nanočástic v ovzduší – což je obzvláště důležité na pracovištích, kde se nanomateriály používají.
• Výzkum zaměřený na potenciální účinky vyráběných nanomateriálů na zdraví se rozvíjí, ale mnoho toho zatím není známo. NIEHS se snaží vyvíjet nové aplikace v rámci věd o životním prostředí a zároveň zkoumat potenciální rizika těchto materiálů pro lidské zdraví.

Proč se NIEHS zabývá nanotechnologiemi?

NIEHS má v oblasti nanotechnologií dva hlavní zájmy: využít sílu umělých nanomateriálů ke zlepšení veřejného zdraví a zároveň porozumět potenciálním rizikům spojeným s expozicí těmto materiálům.

Co NIEHS dělá?

V současné době je o materiálech v nanoměřítku a jejich vlivu na lidské zdraví a životní prostředí známo velmi málo. NIEHS se snaží podporovat vývoj nanotechnologií, které lze využít ke zlepšení výrobků a řešení globálních problémů v oblastech, jako je energetika, voda, medicína a sanace životního prostředí, a zároveň zkoumat potenciální rizika, která tyto materiály představují pro lidské zdraví a životní prostředí. Výzkumní pracovníci NIEHS se věnují prevenci prostřednictvím návrhu, což je výraz, který ztělesňuje snahu vyhnout se jakýmkoli potenciálním nebezpečím při výrobě, používání nebo likvidaci výrobků a zařízení v nanorozměrech tím, že je předem předvídají.

NIEHS vyvinula integrovaný, strategický výzkumný program, který zahrnuje podporu příjemců grantů, využití našich vlastních výzkumných znalostí, investice do vývoje aplikací na bázi nanomateriálů, které jsou prospěšné pro životní prostředí a veřejné zdraví, a využití prvotřídních schopností Národního toxikologického programu (NTP) v oblasti testování toxicity, aby bylo možné pochopit dopady umělých nanomateriálů na lidské zdraví a podpořit cíle Národní nanotechnologické iniciativy.

Jedním z klíčových způsobů, jak NIEHS podporuje výzkum dopadů umělých nanomateriálů na zdraví, je konsorcium NIEHS Centers for Nanotechnology Health Implications Research (NCNHIR). NCNHIR je interdisciplinární program sestávající z osmi kooperativních center a dalších aktivních příjemců grantů. Výzkumní pracovníci konsorcia, které bylo založeno v roce 2010, se snaží pochopit, jak umělé nanomateriály interagují s biologickými systémy a jak tyto účinky mohou ovlivnit lidské zdraví.

NIEHS rovněž uzavřelo smluvní dohody o charakterizaci nanomateriálů a informační databázi na podporu tohoto konsorcia. Zastřešujícím cílem těchto snah je získat základní poznatky o interakcích ENM s biologickými systémy, aby bylo možné lépe pochopit potenciální zdravotní rizika spojená s expozicí ENM. Tyto poznatky budou také vodítkem pro bezpečný vývoj a používání nanotechnologií.

Konzorcium vyrostlo z práce, kterou zahájili příjemci grantů podporovaní v rámci grantového programu Engineered Nanomaterials Grand Opportunity (Nano GO) financovaného prostřednictvím American Recovery and Reinvestment Act. Konsorcium NCNHIR nadále staví na výzkumných protokolech a zkušenostech získaných v rámci programu Nano GO.

Kromě toho NIEHS vytvořilo partnerství s dalšími federálními agenturami na podporu příjemců grantů po celé zemi v rámci svého programu pro zdraví a bezpečnost životního prostředí. NIEHS se například v průběhu let spojil s Agenturou pro ochranu životního prostředí (EPA), Národní vědeckou nadací (NSF), Národním institutem pro bezpečnost a ochranu zdraví při práci (NIOSH) a dalšími instituty a centry NIH (IC), aby podpořil výzkumné strategie zabývající se zdravotními a bezpečnostními aspekty technických materiálů v oblasti životního prostředí.

Navštivte webové stránky NIEHS Nano Environmental Health and Safety (Nano EHS), kde najdete další informace o zapojení NIEHS do oblasti nanotechnologií.

Navštivte webové stránky „Who We Fund“, kde najdete úplný seznam grantů podporovaných NIEHS. Na stránce „Who We Fund:

Internetové nástroje pro podávání zpráv o výzkumném portfoliu NIH (REPORT) poskytují přístup ke zprávám, údajům a analýzám výzkumných aktivit NIH.

Návody a oznámení o možnostech financování NIH jsou k dispozici online.

Nanotechnology Notable Papers and Advances (Významné práce a pokroky v oblasti nanotechnologií) – vyhledávací seznam 401 prací z oblasti nanotechnologií podpořených granty NIEHS a American Recovery and Reinvestment Act of 2009 (ARRA) od roku 2010 – 12. července 2017

NanoHealth and Safety (Zdraví a bezpečnost v oblasti nanotechnologií) – NIEHS podporuje a podporuje výzkum základních vlastností umělých nanomateriálů (ENM) s cílem určit jejich potenciální biokompatibilitu nebo toxicitu pro lidské zdraví. Konsorcia zřízená NIEHS podporují spolupráci zaměřenou na vybudování základů pro pochopení toho, jak mohou jedinečné chemické a fyzikální vlastnosti, které se objevují v nanoměřítku, ovlivnit interakce mezi expozicí životního prostředí a organismem.

Můžete uvést příklady typu práce, kterou NIEHS financovalo?

Výzkumní pracovníci NIEHS vypracovali stovky prací, které posunují naše znalosti o nanomateriálech a jejich potenciálním dopadu na životní prostředí. Malý vzorek ukazuje hloubku a rozsah práce:

• Výzkumníky zajímalo, zda vdechování uhlíkových nanotrubiček může vést k některým plicním onemocněním, včetně pohrudniční fibrózy, která má za následek ztvrdnutí a ztluštění tkáně, která pokrývá plíce, což zhoršuje dýchání. Při testování této hypotézy vystavili laboratorní myši různým dávkám znečišťujících látek a nanočástic. U myší vystavených určitým dávkám uhlíkových nanotrubiček se již dva až šest týdnů po vdechnutí uhlíkových nanotrubiček vyvinula subplurální fibróza. Práce naznačuje, že je rozumné minimalizovat vdechování nanotrubiček, dokud nebudou provedena další dlouhodobá hodnocení.

• Nízké koncentrace uhlíkových nanočástic měly hluboké účinky na buňky vystýlající ledvinové tubuly – kritickou strukturu v ledvinách. Byly ovlivněny jak bariérové funkce buněk, tak exprese proteinů. Výsledky naznačují, že uhlíkové nanočástice ovlivňují ledvinové buňky v nižších koncentracích, než bylo dosud známo, a doporučují opatrnost s ohledem na zvyšující se množství uhlíkových nanočástic vstupujících do potravního řetězce.

• Materiály v nanorozměrech se používají v mnoha kosmetických přípravcích, opalovacích krémech a dalších spotřebitelských produktech. Možná absorpce těchto materiálů kůží a případné následky nebyly stanoveny. Vědci financovaní NIEHS aplikovali nanočástice selenidu kademnatého, známého karcinogenu , na bezsrsté laboratorní myši. Zjistili, že když byla myším před aplikací roztoku odřena kůže, aby se odstranily horní vrstvy kůže, bylo v myších lymfatických uzlinách a játrech zjištěno zvýšené množství kadmia. Když byly kvantové tečky selenidu kademnatého aplikovány na neporušenou kůži myší, nebylo v orgánech zjištěno žádné konzistentní zvýšení obsahu kadmia. Studie dospěla k závěru, že absorpce nanomateriálů kůží závisí na kvalitě kožní bariéry a že budoucí hodnocení rizik by mělo zohlednit klíčové bariérové aspekty kůže a její celkovou integritu.

• Nanosizované materiály jsou velkým příslibem v oblasti doručování léčiv, s možností zacílit léčivo na rakovinné buňky, ale vyhnout se napadení zdravých buněk. Jedna studie financovaná NIEHS prokázala, že schopnost dvou linií rakovinných buněk absorbovat nanočástice ve tvaru tyčinek se liší v závislosti na poměru stran nanočástic – tedy poměru mezi výškou a šířkou částic. Toto zjištění by mohlo pomoci při dosahování účinnějšího podávání léčiv.
  Ryman-Rasmussen JP, MF Cesta, AR Brody, JK Shipley-Phillips, JI Everitt, EW Tewskbury, OR Moss, BA Wong, DE Dodd, ME Anderson JC Bonner. Inhalované uhlíkové nanotrubičky se dostávají do podkožní tkáně u myší. Nature Nanotechnology (2009) v. 4 (11): 747-51. Abstract

  Blazer-Yost BL, A Banga, A Amos, E Chernoff , X Lai, C Li, S Mitra, FA Witzmann. Vliv uhlíkových nanočástic na strukturu renálních epiteliálních buněk, bariérovou funkci a expresi proteinů. Nanotoxicology (2011) v.5 (3):354-71. Abstrakt

  Gopee, N, D Roberts, P Webb, C Cozart, P Siitonen, J Latendresse, A Warbitton A, W Yu, V Colvin, N Walker, P Howard. Quantitative Determination of Skin Penetration of PEG-Coated CdSe Quantum Dot in Dermadraded but not Intact SKH-1 Hairless Mouse Skin. Toxicological Sciences (2009) v. 111(1):37-48. Abstrakt

  Meng H, S Yang, Z Li, T Xia, J Chen, Z Ji, H Zhang, X Wang, S Lin, C Huang, Z Zhou, J Zink, A Nel. Aspect ratio determines the quantity of mesoporous silica nanoparticle uptake by a small GTPase-dependent Macropinocytosis mechanismus. ACS nano (2011) v. 5 (6): 4434-47. Abstrakt

Co dělá NIEHS pro pokrok ve vývoji a aplikaci nanomateriálů, které mají být použity v environmentálním zdravotním výzkumu

Velká část úsilí NIEHS je zaměřena na potenciální toxicitu umělých materiálů. NIEHS však vyvinulo program pro aplikaci nanotechnologií převážně prostřednictvím úsilí v oblasti kadmia, včetně možností bioinženýrského výzkumu ve více ústavech, iniciativy NIH Geny, životní prostředí a zdraví a programu pro malé podniky (SBIR). Příjemci grantů financovaných NIEHS pracují na vývoji nanotechnologických senzorů pro detekci expozice toxickým znečišťujícím látkám, které pomohou zlepšit naše chápání biologických důsledků expozice, a na vývoji strategií pro snížení toxicity faktorů životního prostředí. Podporováno je několik grantů iniciovaných řešiteli.

Jak konkrétně je výzkumný program Superfund zapojen do problematiky související s nanotechnologiemi?

Výzkumný program Superfund podporuje příjemce grantů, kteří vyvíjejí nové nebo zdokonalené technologie a metody, včetně slibné oblasti nanotechnologií, které mají pomoci monitorovat a napravovat nebo čistit okolí lokalit Superfund. Nanomateriály mají pro sanační technologie některé výrazné výhody, například velký poměr povrchu k objemu a vysokou chemickou reaktivitu. Výzkumníci v rámci programu Superfund se také zabývají tím, jak se nanomateriály chovají v životním prostředí, když jsou používány k sanaci.
Další informace týkající se konkrétně nanotechnologií naleznete na webové stránce SRP Search a zadejte do vyhledávače výraz „nano*“,SRP je síť univerzitních grantů, které jsou určeny k hledání řešení komplexních zdravotních a environmentálních problémů spojených s národními úložišti nebezpečného odpadu. Výzkum prováděný v rámci SRP je koordinovaným úsilím s Agenturou pro ochranu životního prostředí, která je federálním subjektem pověřeným sanací nejhorších lokalit s nebezpečným odpadem v zemi.

SRP také spolupracuje s dalšími agenturami na pořádání interaktivních internetových seminářů „Risk e Learning“, které poskytují informace o inovativních technologiích zpracování a charakterizace webových stránek pro komunitu zabývající se sanací nebezpečných odpadů. Seznam některých seminářů týkajících se nanotechnologií naleznete na webové stránce Nanotechnology – Applications and Implications for Superfund.

Co dělá Národní toxikologický program (NTP) pro posouzení zdravotních rizik spojených s nanotechnologiemi?

Národní toxikologický program se zabývá rozsáhlým výzkumným programem zaměřeným na potenciální rizika pro lidské zdraví spojená s výrobou a používáním nanomateriálů.

Vědci ze tří hlavních agentur, které tvoří NTP – NIEHS, Národního centra pro toxikologický výzkum při U.S.A. (National Center for Toxicological Research at the U.S. Food and Drug Administration, a National Institute for Occupational Safety and Health of the Centers for Disease Control and Prevention – pracují na hodnocení toxikologických vlastností reprezentativního průřezu několika různých tříd nanomateriálů, včetně (1) oxidů kovů, (2) fluorescenčních krystalických polovodičů (kvantových teček), (3) uhlíkových fullerenů (Buckyballs ) a (4) uhlíkových nanotrubiček, prostřednictvím iniciativy NTP Nanotechnology and Safety Initiative. Klíčovými parametry, které vzbuzují největší obavy ve vztahu k jejich potenciální toxicitě, jsou velikost, tvar, povrchová chemie a složení. Výzkumníci používají studie na laboratorních zvířatech a buňkách a také matematické modely k vyhodnocení a předpovědi, kam se tyto materiály v těle dostanou a jaké potenciální účinky na zdraví mohou způsobit.

Co dělá NIEHS, aby pomohl chránit pracovníky vystavené nanomateriálům?

NIEHS Worker Education and Training Program (WETP) podporuje pracovníky, kteří se zabývají činnostmi souvisejícími s nebezpečnými materiály a tvorbou, odstraňováním, zadržováním, přepravou a reakcí na mimořádné události. V rámci tohoto úsilí je Národní informační středisko hlavním národním zdrojem učebních osnov pro pracovníky s nebezpečnými odpady, technických zpráv a týdenních zpráv. Clearinghouse poskytuje řadu zdrojů souvisejících s bezpečností v rozšiřující se oblasti nanotechnologií. NIEHS WETP také podpořil vznik publikace Training Workers on Risks of Nanotechnology (Školení pracovníků o rizicích nanotechnologií), která se zabývá tím, jak by měli být pracovníci, kteří vytvářejí nanomateriály a nakládají s nimi, školeni o rizicích, kterým čelí – v laboratořích, výrobních zařízeních, na místech odstraňování nebezpečných odpadů a při likvidaci mimořádných událostí.

Cross-Agency Nanotechnology Initiatives

Jakých iniciativ napříč agenturami se NIEHS účastní?

NIEHS se podílí na následujících meziagenturních iniciativách:

• Národní nanotechnologická iniciativa (NNI), federální, víceagenturní program zaměřený na urychlení výzkumu a vývoje nanotechnologií světové úrovně, na podporu transferu nových technologií pro komerční a veřejný prospěch, na rozvoj a udržení kvalifikované pracovní síly a na podporu odpovědného rozvoje nanotechnologií.
  • Podvýbor pro nanotechnologickou vědu, inženýrství a technologie (NSET) NNI má čtyři pracovní skupiny, které koordinují plánování, rozpočet, realizaci programu a přezkum nanotechnologické iniciativy.
  • Podvýbor pro environmentální a zdravotní důsledky nanotechnologií (NEHI) je pracovní skupina, která podporuje federální činnosti zaměřené na zdravotní a bezpečnostní důsledky nanotechnologií.
• NIEHS spolupracoval s dalšími dvěma instituty NIH, Národním institutem biomedicínského zobrazování a bioinženýrství (NIBIB) a Národním institutem pro rakovinu (NCI), na vývoji NanoRegistry . Registr poskytuje centrální úložiště pro publikované poznatky týkající se nanotechnologií.
• Vyvinula meziagenturní dohodu s laboratoří NCI pro charakterizaci nanotechnologií, aby poskytla příjemcům grantů NIEHS společné konstruované nanomateriály (ENM) a charakterizovala jejich fyzikální a chemické vlastnosti. Díky tomu mají příjemci grantů k dispozici standardizovanou charakterizaci materiálů, které používají, takže mohou snadněji porovnávat výsledky různých studií.
• Iniciativa NIH Nanomedicine je meziinstitucionální snaha o pochopení a vývoj technologií v nanoměřítku, které by mohly být použity k léčbě nemocí a opravě poškozených tkání.
• The NIH Nano Task Force , koordinovaná NIEHS, zastupuje zájmy institutů a center v rámci NIH, které pracují s nanomateriály s cílem pochopit lékařské využití a posoudit bezpečnost a toxikologii spojenou s těmito materiály.

Jsou nanomateriály regulovány?

NIEHS není regulační agentura, a proto neprosazuje zákony spojené s nanomateriály nebo jinými nebezpečnými látkami. Otázky týkající se regulace nebo informace o tom, co dělají jiné federální agentury v souvislosti s nanotechnologiemi, naleznete v příslušné agentuře. Níže je uveden jejich zkrácený výčet.

• Úřad USA pro potraviny a léčiva (FDA) reguluje širokou škálu výrobků, včetně potravin, kosmetiky, léčiv, přístrojů a veterinárních přípravků, z nichž některé mohou využívat nanotechnologie nebo obsahovat nanomateriály.
• Úřad USA pro potraviny a léčiva (FDA) reguluje širokou škálu výrobků, včetně potravin, kosmetiky, léčiv, přístrojů a veterinárních přípravků, z nichž některé mohou využívat nanotechnologie nebo obsahovat nanomateriály.
• Úřad USA pro potraviny a léčiva (FDA) reguluje širokou škálu výrobků. EPA (Environmental Protection Agency) je mnoho nanomateriálů považováno za „chemické látky“ podle zákona TSCA (Toxic Substances Control Act).
• Komise USA pro bezpečnost spotřebitelských výrobků (CPSC) je nezávislá federální regulační agentura, která byla vytvořena v roce 1972 Kongresem v zákoně o bezpečnosti spotřebitelských výrobků. V tomto zákoně Kongres nařídil CPSC, aby „chránila veřejnost před nepřiměřenými riziky zranění a úmrtí spojenými se spotřebitelskými výrobky.“
• ONE Nano: V rámci své role při podpoře Národní nanotechnologické iniciativy vyvinul Národní institut environmentálních zdravotních věd (NIEHS) integrovaný strategický výzkumný program „ONE Nano“, jehož cílem je zvýšit základní porozumění tomu, jak ENM interagují s živými systémy, vyvinout prediktivní modely pro kvantifikaci expozice ENM a hodnocení dopadů ENM na zdraví a řídit návrh ENM druhé generace tak, aby se minimalizovaly nepříznivé účinky na zdraví.

Další čtení

Stories from the Environmental Factor (NIEHS Newsletter)

• Blocking Mosquitoes with a Graphene Shield (September 2019)
• Nanoparticles Offer Low-cost, Reusable Way to Clean Up Drinking Water (prosinec 2018)
• Indický vědec nabízí globální pohled na nanotoxikologii vláken (srpen 2013)
• Výzvy přetrvávají v kritickém úkolu určování bezpečnosti nanomateriálů (říjen 2012)
• Miller propaguje prevenci podle návrhu na setkání o nanotechnologiích (září 2012)
• NIH-Funded Nanomaterial Registry Now Available Online (August 2012)
• Holian Discusses Lung Inflammation Caused by Nanoparticles (January 2012)
• Nano Grand Opportunities Researchers Share Findings (January 2012)

Additional Resources

• Nanotechnology – Information from the Occupational Safety and Health Administration, která je součástí amerického ministerstva práce.
• Nanotechnologie (NIOSH) – Informace od The National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH), součást CDC.
• Nanotechnologické programy v FDA – Nanotechnologie umožňuje vědcům vytvářet, zkoumat a manipulovat s materiály měřenými v nanometrech (miliardtinách metru). Takové materiály mohou mít chemické, fyzikální a biologické vlastnosti, které se liší od vlastností jejich větších protějšků.
• Národní nanotechnologická iniciativa – Oficiální webové stránky Národní nanotechnologické iniciativy Spojených států.
• Výzkum nanomateriálů – Vědci EPA zkoumají nejrozšířenější nanomateriály, které mohou mít vliv na lidské zdraví a životní prostředí.
• Registr nanomateriálů – Registr nanomateriálů shromažďuje údaje z mnoha databází do jediného zdroje.

Související zdravotní témata

• Toxikologie

.